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半导体封装基板的化学镀 Ni-P/Pd/Au
2021-11-10
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半导体封装经历了三次重大革新:第一次是在上世纪80年代从引脚插入式封装到表面贴片封装,它极大地提高了印刷电路板上的组装密度;第二次是在上世纪90年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能;芯片级封装、系统封装等是现在第三次革新的产物,其目的就是将封装面积减到最小。目前市面上主流的芯片封装类型主要有以下几种:BGA、SOP、TSOP、SIP等。

简单点来讲就是把制造厂生产出来的集成电路裸片放到一块起承载作用的基板上,再把管脚引出来,然后固定包装成为一个整体。它可以起到保护芯片的作用,相当于是芯片的外壳,不仅能固定、密封芯片,还能增强其电热性能。所以,封装对CPU和其他大规模集成电路起着非常重要的作用。

随着便携式电子设备的普及,BGA(球栅阵列)越来越多地用于安装在高密度印刷电路板上的半导体封装。BGA的阵列焊球与基板的接触面大、短,有利于散热;BGA阵列焊球的引脚很短,缩短了信号的传输路径,减小了引线电感、电阻,信号传输延迟小,适应频率大大提高,因而可改善电路的性能。在大多数 BGA 中,半导体芯片和封装基板是通过金线键合连接的。这些封装基板和主板通过焊球连接。为了满足这些连接所需的可靠性,封装基板两侧的端子均镀金。化学镀金在更高密度的封装基板中具有优势。然而,由于传统化学镀 Ni-P/Au 的可靠性不够,我们开发了一种新的化学镀 Ni-P/Pd/Au 涂层,以确保足够的可靠性。

在大多数 CSP 和 BGA 中,半导体芯片和封装基板是通过金线键合连接的。印刷电路板和封装基板通过焊球连接。为了满足这些连接所需的可靠性,封装基板两侧的端子表面均镀金。传统上,成熟的电解镀金技术早已用于封装基板的表面处理。

半导体封装过程中会通过使电镀表面变形而降低引线键合的强度。另一个问题与焊球接头的可靠性有关。当 CSP 和 BGA 安装在印刷电路板上时,焊球将它们连接起来。与传统方法相比,焊球连接具有更少的连接面积,其中薄型小外形封装 (TSOP) 和四方扁平封装 (QFP) 的金属引线通过焊接连接。TSOP适合用SMT技术在PCB上安装布线。TSOP封装外形尺寸时,寄生参数(电流大幅度变化时,引起输出电压扰动)减小,适合高频应用,操作比较方便,可靠性也比较高。此外,引线没有缓解压力。最近,CSP 和 BGA 的焊点可靠性已在多项研究中得到检验。

在这项工作中,我们研究了热处理后引线键合强度低的原因以及提高强度的可能性。我们还研究了焊球连接强度低的原因和可能的改进工艺。我们的研究结果表明,低引线键合强度是由镀金表面的镀镍扩散造成的。此外,我们发现焊球连接强度低的原因是金和镍之间形成了腐蚀层。本文讨论了一种新开发的由化学镀镍、钯和金组成的多层涂层系统,作为一种改进工艺。

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